(57)【要約】  本発明は、長手方向軸（Ｘ）を有する熱交換器モジュールであって、少なくとも２つの流体回路を規定するプレート（１、２）のスタックを備え、プレートの少なくとも一部分がそれぞれ、溝によって少なくとも部分的に境界付けされた流体巡回チャネルを備える、熱交換器モジュールに関する。本発明によれば、連通は、分岐部の形態における２×２の連続したチャネルグループにより、同じプレートのチャネルの間で、且つ同じ回路の全てのプレートの間で行われている。
2019523383.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの流体回路を規定するプレート（１、２）のスタックを備える、長手方向軸（Ｘ）を有する熱交換器モジュールであって、少なくともいくつかのプレートはそれぞれ、それぞれ溝によって少なくとも部分的に境界付けられた流体循環チャネルを備え、第１の回路と称される、２つの回路のうちの少なくとも１つのチャネル（１０、１１、１２、１３）は、
前記スタックの外部から流体を供給する領域（Ｚ１）であって、チャネル（１０）が互いに対して平行とされ、前記長手方向軸（Ｘ）を交差する割線軸（Ｘ’）に沿って延在し、２つの隣接するチャネルは、各溝を分離するリブ（１５）に形成された少なくとも１つのノッチ（１６）を介して互いに連通する、領域（Ｚ１）と、
分岐領域と称される領域（Ｚ３）であって、各チャネル（１３）が、互いに対して平行であり、且つ前記長手方向軸（Ｘ）に対して平行である少なくとも２つの直線状のチャネル（１３．１、１３．２、１３．３、１３．４）に分割され、少なくとも２つの直線状のチャネル（１３．１、１３．２、１３．３、１３．４）がリブ（１５）によって互いに分離される、領域（Ｚ３）と、
前記供給領域と前記分岐領域との間の、接続領域と称される領域（Ｚ２）であって、この領域における各チャネルは、前記割線軸（Ｘ’）に沿って延在する直線状のプロファイル（１１）と、前記チャネルを前記分岐領域の直線状のチャネルと接続するために、前記直線状のプロファイルに続く湾曲したプロファイル（１２）と、を有する、領域（Ｚ２）と、
前記分岐領域と連続した交換の領域（Ｚ４）であって、リブによって互いに分離された平行な直線状のチャネル（１３．１、１３．２、１３．３、１３．４）が、前記長手方向軸（Ｘ）に対して平行に延在する、領域（Ｚ４）と、
を含み、前記熱交換器モジュールにおいて、前記第１の回路の各プレートのチャネル（１０）は、前記スタックを貫通する開口部（１７）を介して、各供給領域（Ｚ１）における前記第１の回路の他のプレートのチャネルと連通するが、第２の回路のチャネルと連通しないことを特徴とする、熱交換器モジュール。
【請求項２】
前記第１の回路の各チャネルの前記湾曲したプロファイルは、前記接続領域における直線状のプロファイルを前記分岐領域の直線状のチャネルに接続するために２つの湾曲部を備えることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器モジュール。
【請求項３】
各直線状のチャネル（１３）は、前記分岐領域（Ｚ３）において、４つのチャネル（１３．１、１３．２、１３．３、１３．４）に分割されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の熱交換器モジュール。
【請求項４】
前記割線軸（Ｘ’）と前記熱交換器モジュールの前記長手方向軸（Ｘ）との間の角度は、０度〜４５度である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器モジュール。
【請求項５】
前記第１の回路のプレートが少なくとも前記スタックの中央部分において前記第２の回路の２つのプレートの間に挿入される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換器モジュール。
【請求項６】
前記第１の回路のチャネルは、楕円形状の断面、円形状の断面、区形状の断面、又は、正方形状の断面を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱交換器モジュール。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載された熱交換器モジュールを製造する方法であって、
供給領域、接続領域、分岐領域、及び交換領域によって構成された前記第１の回路のチャネル（１０、１１、１２、１３）を構成するために、第１の金属プレート（１）において溝を機械加工するステップと、
前記第２の回路のチャネル（２０）を構成するために、第２の金属プレート（２）において溝を機械加工するステップと、
前記第１の回路の前記第１の金属プレートのチャネルの間の連通を可能にするが、前記第２の回路の前記第２の金属プレートのチャネルと連通しない貫通孔（１７）を有するように前記第１の金属プレート及び前記第２の金属プレートを交互にスタックするステップと、
それらの間の拡散による溶接を得るために、熱間等方圧加圧法（ＨＩＣ）工程又は熱間一軸拡散溶接（ｈｏｔ  ｕｎｉａｘｉａｌ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｗｅｌｄｉｎｇ）工程によって、或いは、ロウ付けによって、互いに前記第１の金属プレート及び前記第２の金属プレートを組み立てるステップと、
を備える、方法。
【請求項８】
第２の回路内で循環する流体によって加圧されるように意図された流体密封筐体と、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の複数の熱交換器モジュールと、
を備える熱交換器であって、
それぞれの熱交換器モジュールが前記流体密封筐体の中心軸に対して平行に延在し、前記流体密封筐体の内部に配置される、熱交換器。
【請求項９】
請求項８に記載の熱交換器の使用であって、一次流体として前記第１の回路の流体は、液体金属であり、二次流体として前記第２の回路の流体はガス又はガス混交物とされる、熱交換器の使用。
【請求項１０】
前記第２の回路の流体は主に、窒素を備え、前記第１の回路の流体は液体ナトリウムである、請求項９に記載の熱交換器の使用。
【請求項１１】
前記第１の回路又は前記第２の回路の流体は、原子炉から来ている、請求項９又は１０に記載の熱交換器の使用。
【請求項１２】
液体金属により冷却された高速中性原子炉、特に液体ナトリウム冷却高速炉（ＳＦＲ）と、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の複数の熱交換器モジュールを備える熱交換器と、
を備える、原子力施設。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属プレートのスタック及び少なくとも２つの一体化された流体回路を有する熱交換器モジュールに関する。
【０００２】
本発明はより具体的には、様々な流体の内部循環チャネルの分散の均一性を改善するとともに、同時にモジュールのコンパクトさを損なうことなく、良好な熱効率及び満足できる熱機械負荷を保証する新しい種類の熱交換器モジュールの製造に関する。
【背景技術】
【０００３】
周知の熱交換器は、内部流体循環チャネルを有する少なくとも２つの回路を備える。１つの回路のみを有する熱交換器において、熱交換は、回路と埋没された周囲の流体との間に作用する。少なくとも２つの流体回路を有する熱交換器において、熱交換は、２つの流体回路の間に作用する。
【０００４】
連続プロセスを採用する化学反応器が知られており、それによって、少量の共試薬（ｃｏ−ｒｅａｇｅｎｔｓ）は、第１の流体回路の入口において注入されており、好ましくは混合装置が設けられた第１の流体回路の入口において注入されており、得られた化学製品は、第１の流体回路の出口において同時に回収される。それらの周知な化学反応器のいくつかは、通常ユーティリティ回路と呼ばれる第２の流体回路を備え、この第２の流体回路の機能は、反応に必要な熱の入力による又は反対に、それによって放出された熱の排出による、化学反応の熱的な制御である。２つの流体回路を有するこの種類の化学反応器は、通常交換反応器（ｅｘｃｈａｎｇｅｒ−ｒｅａｃｔｏｒｓ）と称される。
【０００５】
本発明は、熱交換の単一の機能と交換反応器の製造として２つの一体化された流体回路とを有する熱交換器モジュールの製造に関する。それ故に、「少なくとも２つの流体回路を有する熱交換器モジュール」によって、交換反応器と同じくらいに熱交換機能のみを有する熱交換器モジュールは、本発明との関連で理解されなければならない。
【０００６】
２つの流体を使用する、本発明による交換器モジュールの主な用途は、２つの流体のうちの一方としてガスと共に使用することである。このことは有利には、液体金属及びガス、例えば液体ナトリウム及び窒素に言及してもよい。
【０００７】
本発明による交換器モジュールの主要な意図された用途は、二次ループにおける液体ナトリウムなどの液体金属と、例えば、液体ナトリウム冷却高速炉（ＳＦＲ）であり、いわゆる第４世代の原子炉のファミリーの一部である液体金属によって冷却された高速中性子炉の三次ループにおけるガスとして窒素との間の熱交換である。
【０００８】
本発明による熱交換器モジュールはまた、好ましくは高い熱出力のコンパクトな交換器を有する必要がある場合に、液体及びガスなどの２つの流体の間の交換を必要とする任意の他の用途において使用されてもよい。
【０００９】
本発明の関連で「一次流体」による意味は熱の分野における一般的な意味であり、つまり、高温流体は、低温流体である二次流体にその熱を移動させることである。
【００１０】
逆に、本発明の関連で「二次流体」による意味は熱の分野における一般的な意味であり、つまり、熱が一次流体から移動された低温流体である。
【００１１】
主要な用途において、一次流体は、ＲＮＲ−Ｎａ反応器の熱的変換サイクルのいわゆる二次ループ内で循環するナトリウムであるのに対して、二次流体は、このサイクルの三次ループ内で循環する窒素である。
【００１２】
周知のチューブ型交換器は例えば、シェル型及びチューブ型交換器である。この交換器において、直線状のチューブ及び湾曲したチューブのＵ字形状の束又はらせん形状の束は、穿孔したプレートに固定されており、シェルと呼ばれる流体密封筐体の内部に配置される。それらのチューブ型及びシェル型交換器において、一の流体はチューブの内部で循環するのに対して、他の流体はシェルの内部で循環する。それらのチューブ型及びシェル型交換器は、大容量であり、それ故に、小さなコンパクト性を有する。
【００１３】
既存のいわゆるプレート熱交換器は、特に、有利に熱交換の量に対する面積の高い割合による、それらの熱的性能及びコンパクトさの観点から既存のいわゆるチューブ熱交換器と比較して大きな利点を有する。コンパクトなプレート交換器は、多数の工業分野において使用される。
【００１４】
コンパクトなプレート交換器の分野において、熱交換パターンを規定する多数の基本的な形状が開発された。
【００１５】
複数のフィンを一体化させたプレートを有する交換器が最初に引き合いに出される場合があり、このような熱交換器において、熱交換パターンは、複数のフィンによって境界付けられた構造によって規定されており、その構造は、２つの金属プレートの間で装着されており、非常に多様な幾何学的形状を有する。交換パターンは、交換器の２つの流体回路の一方と他方との間で異なっている。金属プレートの間の組み立ては、ロウ付け又は拡散溶接によって通常達成される。
【００１６】
起伏したプレート又は波状のプレートを有する周知な交換器が存在する。起伏は、２つの流体回路を分離するプレートを引き抜き加工することによって形成される。このため、交換パターンは、２つの流体回路のそれぞれで同一である。この種類の交換パターンによって発生した流体の流れは、３次元であり、それ故に、非常に高い性能を提供する。プレート間の組み立ては、ボルト接続又はそれらを周辺溶接すること（従来の溶接又は拡散溶接）によって達成される。
【００１７】
機械加工された溝を有するプレート交換器が最終的に知られており、機械加工は、機械で又は電気化学的に実行される。機械加工によって規定されたチャネルは、ミリメートルサイズの断面であり、多くの場合、規則的なジグザグ形状のプロファイルと連結している。プレートは、２つの隣接したプレートの間の全ての接触点において溶接を可能にする拡散溶接によって組み立てられる。機械加工された溝を有するこの種類のプレート交換器はそれ故に、圧力に対する高い耐性を本質的に有する。
【００１８】
本発明の発明者らの何人かは、いわゆる第４世代の反応器のファミリーの原子炉の製造との関連で、ガスと液体金属との間の熱交換のために、すなわち、優れた熱伝導体、液体金属、典型的には液体ナトリウム（Ｎａ）と、非常に低い熱伝達性質を有する流体、ガス、典型的には窒素（Ｎ２）との間の熱交換のために、積層されたプレートを使用するモジュールを有する交換器を設計した。
【００１９】
それ故に、特許文献１は、熱交換器であって、熱交換器モジュールが内部に配置され、支持部及び保持構造によって、ガスの圧力によって典型的には約１８０バール（ｂａｒ）に加圧された筐体にしっかりと固定されるのに対して、液体金属の分散配管がその支持構造に固定されていない、熱交換器を記載し請求している。
【００２０】
上記の設計において、流体密封筐体はガス回路マニホールドの役割を果たし、熱交換器モジュールの寸法は、２つの流体の低い熱伝導性とされるので、ガスによって主に制御される。
【００２１】
ガス循環チャネルの交換パターンのサイズは、熱−水力性能（ｔｈｅｒｍｏ−ｈｙｄｒａｕｌｉｃ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）の制約によって厳密に決定されるのに対して、液体金属の循環チャネルのサイズは、液体金属の循環チャネルの最小限の断面を制限する液体金属の循環に関連された閉塞の危険性を考慮しなければならない。ガスと液体金属との間の物理的特性における相違、より具体的には、ガスと液体金属との間の密度特性における相違を考慮に入れると、結果として生じる交換器モジュールは、非常に低い、典型的には４０ミリバール（ｍｂａｒ）のオーダーの液体金属循環チャネルにおけるヘッドロスを有する。
【００２２】
さらに、コンパクト性を目的として、各交換器モジュールは、１２ＭＷｔｈのオーダーの単位熱出力定格（ｕｎｉｔａｒｙ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｐｏｗｅｒ  ｒａｔｉｎｇ）を有しており、この点は、寸法に関する規則を考慮すると、非常に多い数の流体循環チャネル、典型的にはモジュール当たり約５０００に等しいことを暗示する。
【００２３】
考慮されるべき他の制約は、各モジュールがガスによって加圧された筐体の内部で配置されるとの事実から生じる。動作中に、液体金属を供給する構造及び液体金属を回収する構造は、マニホールド及び分散配管から構成されており、高温及び圧縮力に晒されており、特定の予防措置が講じられない限り、クリープから生じる座屈による損傷に導く可能性がある。また、熱機械的な観点から、それらの構造は、可能な限りコンパクトになるように設計されなければならない。
【００２４】
要約すると、前述の特許文献による、ガスによって加圧された筐体の内部における熱交換器モジュールの構成は、モジュールあたりのチャネルの数が非常に多く、非常にコンパクトであることを暗示する。
【００２５】
次いで、本発明の発明者らは、この構成が各熱交換器モジュールにおけるチャネル内における液体金属の不均一な分散に導く可能性があり、このことが一方で熱交換器の全体の熱効率を低下させ、他方で、熱交換器の構造の熱機械的な強度も低下させることを分析した。
【００２６】
それ故に、発明者らは、モジュールにおける循環チャネル内の液体金属の一様な分散を確実にすることを可能にする、プレート交換器モジュールを設計する必要性に直面した。
【００２７】
特に入口における非常に高いレイノルズ数Ｒｅとチャネルにおける比較的低いレイノルズＲｅとの間の比により、上記の構成による交換器モジュールの水力条件（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ）が先行技術においてあまり遭遇されていない。けれども、発明者は、熱交換器内の流体の循環をより一様な（均一な）状態にすることを可能にする様々な既存の解決方法の表を作成した。
【００２８】
複数の周知な解決方法のうちの１つは、モジュールのチャネルにおけるヘッドロスと比較して、マニホールド内の速度範囲を減少させ、それ故に、動圧を減少させるために、液体金属マニホールドのサイズを増加させることからなる。この解決方法は、上述したように、液体金属を供給し且つ回収する構造が可能な限りコンパクトでなければならず、且つマニホールドが可能な限り小さくなければならないので、採用されることができない。
【００２９】
マニホールドの内部に格子を配置することも周知である。この格子は、液体金属がモジュール内に入る前に、液体金属ジェットが分解されることを可能にする。この解決方法は、水圧レベル（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ  ｌｅｖｅｌ）と関連がある。なぜならば、ヘッドロスの観点から非常に低いコストで、プレートの間における、且つ同じプレート内における不十分な分散の問題、一般的に、３％の残留分散値（ｒｅｓｉｄｕａｌ  ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  ｖａｌｕｅ）及び１５０ミリバール（ｍｂａｒ）より小さな圧力変動を示す不十分な分散の問題を解決することができるからである。
【００３０】
マニホールドの内部に装着された格子を有するこの解決方法の主な欠点は、熱慣性の付加であり、このことは、熱過渡（ｔｈｅｒｍａｌ  ｔｒａｎｓｉｅｎｔｓ）を有する動作状況において不利である。さらに、マニホールドの内部に装着された、格子からなるさらなる構成要素のため、マニホールドは大きいままであり、それ故に厚い壁の厚さを必要とする。
【００３１】
最後に、液体金属入口領域内で分岐部を有するチャネルを形成することが知られており、それはプレマニホールドであったのと同様である。とりわけ、これは、流体がマニホールドのレベルで分散されるべきであるチャネルの数を減らすことを可能にする。図１〜図３には、金属板に形成された単一のチャネル１０からの分岐部の例が示されており、これらはそれぞれ、交換領域のための１６個のチャネル１０．１〜１０．１６又は５個のチャネル１０．１〜１０．２に通じている。図２の構成は、チャネルが中央交換部で相互接続されている点で図１の構成と異なることが明記されている。
【００３２】
この解決方法の効率は、チャネルヘッドロスが増加するにつれて増加し、典型的には１０％の残留分散値及び５００ミリバール（ｍｂａｒ）の圧力変動、又は１３％の残留分散値及び３５０ミリバール（ｍｂａｒ）の圧力変動に対応する。
【００３３】
今や、モジュール当たりに供給されるべき流体循環チャネルが非常に多数であることを考えると、入口側にモジュール当たり単一のチャネルを有する解決方法は採用されることができない。実際、モジュール内で許容可能なヘッドロスを維持するためには、マニホールド内へ排出されるチャネルの数を４分の１に減少させることのみが適切であり得る。
【００３４】
言い換えれば、発明者らはまた、先行技術におけるような分岐部の使用が、各モジュール内における液体金属の不十分な分散の１０％未満の減少を可能にしないので、上述された構成の関連で採用されることができないと結論付けた。  
【００３５】
明らかに、後者のために最適な分岐の幾何学形状について研究がなされており、不十分な分散に導くことはない。
【００３６】
それ故に、特許文献２は、３つより少ないプレートを有するコンパクトな触媒反応器を開示している。このプレートのチャネルは、ミリメートルサイズの直線状のチャネルの少なくとも１つの領域、すなわち熱交換領域と、熱交換領域の上流側及び／又は下流側における少なくとも１つの流体分散領域とを有する。この流体分散領域において、壁（リブ）の不連続性が分散領域に沿ってチャネルを分離させ、壁の幅が分配領域に沿って増加している。
【００３７】
特許文献３は、拡散溶接によって組み立てられた複数のプレートのスタックを有する熱交換器を開示する。この熱交換器において、各プレートのチャネルは、マニホールド領域、プレマニホールド領域、及び分散／交換領域を含む３つの領域によって構成されており、チャネルはプレマニホールド領域と交換領域との間の接合部分において、プレートの長手方向軸に対して横方向に互いに連通しており、これにより、圧力の再調整を可能にする。
【００３８】
特許文献２に記載された解決方法が推測的に、良好な数の水力構成（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ  ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ）において同じプレートのチャネル内における流体の分散を改善するが、特許文献３による解決方法では、プレマニホールド領域を構成するチャネルの不均衡な幾何学的形状（長さ及び屈曲）により、特定の問題が生じる場合があり、これは、望ましくない流体の再循環を発生させる。
【００３９】
さらに、そして何よりも、上記の解決法のどれもが、交換器のスタックのプレート間の一様ではない分散の問題の解決を可能にしない。
【００４０】
それ故に、少なくとも２つの一体化された流体回路を有する積層された複数のプレートを有し、特にガスと液体金属との間の熱交換のために意図された、コンパクトな熱交換器モジュールであって、モジュールのコンパクトさを損なうことなく、所定のプレート内及びスタックのプレートの間の両方で、特に熱交換器モジュール内で流体の分散をより一様な状態にする、コンパクトな熱交換器モジュールのさらなる改善の必要性が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４１】
【特許文献１】国際公開第２０１５／０２８９２３号パンフレット
【特許文献２】国際公開第２０１５／０９２１９９号パンフレット
【特許文献３】米国特許第４６６５９７５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００４２】
本発明の目的は、この必要性を少なくとも部分的に対処することである。
【課題を解決するための手段】
【００４３】
この目的のために、本発明は、少なくとも２つの流体回路を規定するプレートのスタックを備える、長手方向軸（Ｘ）を有する熱交換器モジュールであって、少なくともいくつかのプレートはそれぞれ、それぞれ溝によって少なくとも部分的に境界付けられた流体循環チャネルを備え、第１の回路と称される、２つの回路のうちの少なくとも1つの前記チャネルは、
前記スタックの外部から流体を供給する領域であって、チャネルが互いに対して平行とされ、前記長手方向軸（Ｘ）を交差する割線軸（Ｘ’）に沿って延在し、２つの隣接するチャネルは、各溝を分離するリブに形成された少なくとも１つのノッチを介して互いに連通する、領域と、
分岐領域と称される領域であって、各チャネルが、互いに対して平行であり、且つ前記長手方向軸（Ｘ）に対して平行である少なくとも２つの直線状のチャネルに分割され、少なくとも２つの直線状のチャネルがリブによって互いに分離される、領域と、
前記供給領域と前記分岐領域との間の、接続領域と称される領域であって、この領域における各チャネルは、前記割線軸（Ｘ’）に沿って延在する直線状のプロファイルと、前記チャネルを前記分岐領域の直線状のチャネルと接続するために、前記直線状のプロファイルに続く湾曲したプロファイルと、を有する、領域と、
前記分岐領域と連続した交換の領域であって、平行な直線状のチャネルが、前記長手方向軸（Ｘ）に対して平行に延在するリブによって互いに分離された、領域と、
を含む、熱交換器モジュールからなる。
【００４４】
本発明によるモジュールにおいて、第１の回路の各プレートにおけるチャネルは、スタックを貫通する開口部を介して、各供給領域における第１の回路の他のプレートのチャネルと連通しているが、第２の回路のチャネルと連通していない。
【００４５】
言い換えると、本発明は本質的に、供給領域又はプレマニホールド領域において、同じプレートにおけるチャネルと互いに連通しており、同じ回路の全てのプレートの間でも連通していることを、分岐部の形態における２×２の連続したチャネルとを賢明に組み合わせることからなる。
【００４６】
複数のチャネルの間の連通は、各プレート内に且つプレートの間で一体化されたジェットブレーカ型格子（ｊｅｔ−ｂｒｅａｋ  ｇｒｉｌｌｅ）の役割を果たし、これは、同じ流体の全てのチャネル間の流れを自然に再調整することを可能にし、それ故に一様な分散を保証する。
【００４７】
連続的なグループのチャネルは、スタックの外側におけるマニホールドによって供給されるべきチャネルの数の減少を可能にし、それによって、誘導されるヘッドロスを増加させること及びマニホールドのサイズを減少させることを可能にする。
【００４８】
それ故に、本発明の結果、マニホールドが小さな寸法を有し、供給速度が速く、チャネルのヘッドロスが大きくなる臨界的な水力状況（ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｈｙｄｒａｕｌｉｃ  ｓｉｔｕａｔｉｏｎ）においてさえも、モジュール内で流体回路の全ての循環チャネルを一様に分散することが可能である。
【００４９】
本発明の主な利点は、ヘッドロス（分岐領域）の変更によって、及び、同じプレートのチャネルの間及び複数のプレートの間で連通を可能にし、モジュールが非常にコンパクトな状態を維持することができ、且つ入口マニホールドのサイズを減少させる一体化された格子によって、一体化されていない装置を追加することなく、熱交換器モジュールにおける流体のうちの１つの不十分な分散の課題に対処できることである。  
【００５０】
本発明はまた、供給されるべきチャネルの数の減少を可能にし、それが、マニホールドのサイズの減少を可能にし、そして熱機械的な寸法の改善を可能にする。
【００５１】
本発明者らは、計算流体力学（ＣＦＤ）の予備計算を実行した。それらの計算は、本発明が、第４世代の原子炉のＮａ／ガス交換器と関連で、現実世界における使用条件下で熱交換器モジュール内における液体ナトリウムの分散の一様性の改善を可能にすることを示す。
【００５２】
変形実施形態によれば、第１の回路における各チャネルの湾曲したプロファイルは、接続領域の直線状のチャネルを分岐領域の直線状のチャネルに接続するために、２つの湾曲部を備える。
【００５３】
有利な実施形態によれば、各直線状のチャネルは、分岐領域において４つのチャネルに分割される。
【００５４】
他の有利な実施形態によれば、モジュールの割線（Ｘ’）と長手方向軸（Ｘ）との間の角度は、０度〜４５度である。
【００５５】
モジュールの製造のための有利な代替例は、少なくともスタックの中央部分において、第２の回路の２つのプレートの間で第１の回路のプレートを挿入することで構成されてもよい。
【００５６】
第１の回路のチャネルは、楕円形状の断面、円形状の断面、区形状の断面、又は正方形状の断面を有してもよい。
【００５７】
本発明による交換器モジュールのプレートを構成する金属は、その使用目的の条件、すなわち流体の圧力、モジュールを通って循環する流体の温度および性質に応じて選択される。
【００５８】
それは、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル、チタン又はそれらの元素の合金、ならびに鋼、特に合金鋼又はステンレス鋼、或いはニオブ、モリブデン、タンタル又はタングステンの合金から選択された高融点金属の問題であってもよい。
【００５９】
本発明はまた、上記の熱交換器モジュールを製造する方法であって、
供給領域、接続領域、分岐領域、及び交換領域によって構成された前記第１の回路のチャネルを構成するために、第１の金属プレートにおいて溝を機械加工するステップと、
前記第２の回路のチャネルを構成するために、第２の金属プレートにおいて溝を機械加工するステップと、
前記第１の回路の前記プレートのチャネルの間の連通を可能にするが、第２の回路のプレートのチャネルと連通しない貫通孔を有するように前記第１のプレート及び前記第２のプレートを交互にスタックするステップと、
それらの間の拡散による溶接を得るために、熱間等方圧加圧法（ＨＩＣ）工程又は熱間一軸拡散溶接工程によって、或いは、ロウ付けによって、互いに前記第１の金属プレート及び前記第２の金属プレートを組み立てるステップと、
を備える、方法から構成される。
【００６０】
本発明はまた、第２の回路内で循環している流体によって加圧されるように意図された流体密封筐体と、上記のような複数の熱交換器モジュールであって、それぞれが流体密封筐体の中心軸に対して平行に延在し、且つそれぞれが流体密封筐体の内部に配置された複数の熱交換器モジュールと、を備える熱交換器に関する。
【００６１】
本発明はまた、上記の熱交換器の使用であって、一次流体として第１の回路の流体が液体金属であり、二次流体として第２の回路の流体がガス又はガス混合体である、熱交換器の使用から構成される。
【００６２】
第２の回路における流体は主に、窒素を備えてもよく、第１の流体は液体ナトリウムであってよい。第１の回路又は第２の回路における流体は、原子炉から来てもよい。
【００６３】
本発明は最後に、液体金属によって冷却された高速中性原子炉、特に液体ナトリウム冷却高速炉（ＳＦＲ）と、上記のような複数の交換器モジュールを備える交換器と、を備える原子力施設からなる。
【００６４】
本発明の他の利点および特徴は、添付の図面を参照しながら非限定的な例示として与えられる本発明の実施形態の詳細な説明を読むことにより、より明確になるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】入口及び出口において単一のチャネルがあり、交換領域の前に分岐部がある、従来技術の一例によるプレート熱交換器モジュールのプレートの概略的斜視図である。
【図２】入口及び出口において１つのチャネルのみがあり、交換領域の前に分岐部がある、従来技術の他の例によるプレート熱交換器モジュールのプレートの概略的斜視図である。
【図３】入口及び出口において単一のチャネルがあり、交換領域の前に分岐部がある、従来技術のさらなる例によるプレート熱交換器モジュールのプレートの概略的斜視図である。
【図４】フィード格子を形成する複数の入口チャネルを有する供給領域と、交換領域の前にある分岐領域と、を有する本発明の第１の実施形態によるプレート熱交換器モジュールのプレートの上面図である。
【図５】格子を形成する複数の入口チャネルを有する供給領域と、交換領域の前にある分岐領域と、を有する本発明の第２の実施形態によるプレート熱交換器モジュールのプレートの正面図である。
【図６】第１の実施形態による格子を有する供給領域のレベルにおいて、本発明によるモジュールのプレートのスタックを示す斜視詳細図である。
【図７】第２の実施形態による格子を有する供給領域のレベルにおいて、本発明によるモジュールのプレートのスタックを示す斜視詳細図である。
【図８】寸法の例を示す、図７の第２の実施形態に一致する詳細図である。
【図９】寸法の例を示す、本発明による分岐領域の一部の詳細図である。
【００６６】
明確性のために、従来技術及び本発明による同じ構成要素は、同じ参照符号によって示されている。
【００６７】
この明細書全体において、「入口」、「出口」、「上流」、及び「下流」との用語は、本発明による熱交換器モジュールに接続された流体の循環方向との関連で理解されるべきである。
【００６８】
図１〜３は、前文において既にコメントされた先行技術に関する。それらはそれ故に、本願明細書におけるこの後で記載されない。
【００６９】
図４〜図７に示されるように、第１の回路と称される、本発明に係る熱交換器モジュールの２つの流体回路のうちの一方のプレート１は、長手方向軸Ｘに沿って延在する。この第１の回路は好ましくは、液体ナトリウムなどの液体金属を循環するように意図される。
【００７０】
このプレート１は、複数のチャネル１０、１１、１２、及び１３によって溝が付けられ、領域Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、及びＺ４が異なるように生み出され形成される。
【００７１】
スタックの外部から流体を供給するための供給領域Ｚ１において、チャネル１０は、互いに対して平行とされ、長手方向Ｘと交差する割線軸（ｓｅｃａｎｔ  ａｘｉｓ）Ｘ’に沿って延在する。そして、２つの隣接するチャネル１０は、各溝を分離するリブ１５に形成された少なくとも１つのノッチ１６を介して互いに連通する。
【００７２】
図６に示され得るように、貫通孔１７は、各チャネル１０に設けられており、スタックを通じて第１の回路の全てのプレート１の間の連通を可能にする。この目的で、他の貫通孔はまた、第２の回路のプレート２を通じて設けられている。これらの他の貫通孔は、第１の回路のチャネルと第２の回路のチャネルとの間の連通を可能にしない。
【００７３】
それ故に、チャネルの間のノッチ１６と、プレート１を通じた貫通孔１７とを有するチャネル１０は、同じプレート１のチャネルの間で、且つ複数のプレート１の間で、連通格子（ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ｇｒｉｌｌｅ）を形成する。
【００７４】
供給領域Ｚ１に続いて、チャネルは、接続領域Ｚ２内で延在する。この領域Ｚ２において、各チャネルは、割線軸Ｘ’に沿って延在する直線状のプロファイル１１と、接続領域Ｚ２とつながり、且つ接続領域Ｚ２の下流にある分岐領域Ｚ３の直線状のチャネルとチャネル１１を接続するように直線状のプロファイルに続く湾曲したプロファイル１２と、を有する。
【００７５】
図５は、図４の変形例であり、この変形例において、長手方向軸Ｘと横方向に位置合わせされた分岐領域における全てのチャネル１３を有するために、湾曲したプロファイルが短くなる。
【００７６】
図４及び図５に示され得るように、接続領域Ｚ２は、比較的大きな領域を有する。この領域は、供給領域Ｚ１と下流の分岐領域Ｚ３との間の十分な物理的分離を可能にする。この物理的分離は、十分な空間が第２の回路のプレート２に設けられることを可能にし、それによって第１の回路のチャネルと第２の回路のチャネルとの間の連通が存在しない。
【００７７】
分岐領域Ｚ３において、各チャネル１３は、４つのチャネル１３．１、１３．２、１３．３、１３，４に分割される。これらの４つのチャネルは直線状であり、互いに平行であり、リブによって互いを分離した状態で長手方向軸Ｘに対して平行に延在する。
【００７８】
最後に、分岐領域Ｚ３に続いて、熱交換領域Ｚ４は、長手方向軸Ｘに対して平行に延在するリブによって互いに分離した直線状で平行なチャネル１３．１、１３．２、１３．３、１３．４を統合する。
【００７９】
図７には、供給領域Ｚ１の変形実施形態が示される。この変形実施形態において、チャネル１０の間の貫通孔１７を分離するリブ部分１８はすべて、同一であり、貫通孔１７と同じように位置合わせされる。
【００８０】
図８には、図７からの変形実施形態において、供給領域Ｚ１におけるプレート１の寸法の例が示される。
【００８１】
例えば、数値は以下の通りである。Ｒ１＝１．５ｍｍ、ｅ１＝４２．５ｍｍ、ｅ２＝３２．５ｍｍ、ｅ３＝３ｍｍ、ｅ４＝７ｍｍ。
【００８２】
類似の方法において、図９は、接続領域Ｚ２の湾曲したプロファイル１２に基づいた４つの分岐１３．１〜１３．４を有するチャネル１３の寸法の例を示す。
【００８３】
例えば、数値は以下の通りである。Ｒ２＝２０ｍｍ、Ｒ３＝２６ｍｍ、ｅ５＝２５ｍｍ、ｅ６＝５．２ｍｍ、ｅ７＝２５ｍｍ、ｅ８＝５．２ｍｍ、ｅ９＝２５ｍｍ、ｅ１０＝６ｍｍ。
【００８４】
以下の手順は、本発明による熱交換器モジュールを製造するために使用される。
【００８５】
上述したように、供給領域Ｚ１、接続領域Ｚ２、分岐領域Ｚ３、及び熱交換領域Ｚ４における溝が区形状の同じ金属プレートにおいて機械加工される。プレート１は次いで、チャネル１０と各プレート１を通じた貫通孔１７との間にノッチ１６を有するように供給領域Ｚ１において機械加工される。
【００８６】
第２の回路のチャネルを規定する溝２０は、プレート１と同じ形状及び寸法の金属プレート２において機械加工される。
【００８７】
交互に行うスタックは、第１の回路のプレート１のチャネルの間の連通を可能にするが、第２の回路のプレートのチャネルとの間の連通を可能にしない貫通孔１７を有するように、第１の回路のプレート１と第２の回路のプレート２とにより製造される。
【００８８】
金属プレート１及び２は次いで、それらの間の拡散溶接を得るように、熱間等方圧加圧法（ｈｏｔ  ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ、ＨＩＣ）工程又は熱間一軸拡散溶接（ｈｏｔ  ｕｎｉａｘｉａｌ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｗｅｌｄｉｎｇ）工程によって、一緒に組み立てられる。
【００８９】
比較ＣＦＤ計算は、本発明によるモジュールの第１の回路における最良の流体分散性能を検証するために、発明者らによって行われた。
【００９０】
この計算は、第１の回路の入口において５４５℃の温度の液体ナトリウムの循環の仮定により行われた。
【００９１】
比較例１及び２によるチャネルが、本発明による例３によるチャネルと同じ寸法、つまり長さ、幅、及び高さを有することが本願明細書に明記されている。
【００９２】
全ての比較計算は、以下の表に要約される。
【００９３】
比較例１は、Ｎａ回路の領域Ｚ４のチャネルが直線状であり、マニホールド内に全て排出される先行技術のモジュールに関する。
【００９４】
比較例２は、流体入口と熱交換領域Ｚ４との間にのみ第１のプレートにおけるチャネルを備え、分岐部を有する領域Ｚ３が図４及び図５に示され、且つ分岐部を有する領域Ｚ３が図９における本発明の分岐領域Ｚ３と同様に寸法決めされるモジュールに関する。
【００９５】
例３は、本発明に一致し、領域Ｚ１〜Ｚ４をすべて有するプレート１においてチャネルを備え、分岐部を有する領域Ｚ１が図８に示されるように寸法決めされ、且つ分岐部を有する領域Ｚ３が図９における本発明の分岐領域と同様に寸法決めされる、モジュールを有する。
【００９６】
全ての例において、プレート１及び２における他の形状及び他の寸法は同一である。
【００９７】
表は、３４５℃の熱交換器から出た液体ナトリウムと、３１０℃で入る窒素との間の熱交換の理想的な場合をさらに示す。
【００９８】
【表１】
2019523383.tif 000003
【００９９】
この表において、本発明のおかげで、チャネルごとの流れ分散は非常に低くなり、合計ヘッドロス（Ｔｏｔａｌ  ｈｅａｄ  ｌｏｓｓｅｓ）が非常に高くなるが、熱効率が理想的な場合に等しいので許容可能であることがわかる。
【０１００】
さらに、例２と比較すると、複数のノッチ１６とプレート１の間の貫通孔とを有する領域Ｚ１が、流れの分散を４分の１に減らすことができる。
【０１０１】
それ故に、システムが液体ナトリウムの分散の改善を可能にすることが、このことから結論付けられ得る。
【０１０２】
他の変形例及び修正は、本発明の技術的範囲を逸脱することなく提供されてもよい。
【０１０３】
例えば、液体ナトリウムなどの液体金属及び窒素などのガスを使用する熱交換器モジュールにおいて、直線状のチャネルを有するガス回路と及び様々な領域Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４を有するチャネルを有する液体金属回路、好ましくは、ガス回路のチャネルの断面より大きい断面のチャネルを有する液体金属回路とを予想することはそれ故に可能であり、有利である。
【０１０４】
言うまでもなく、液体金属／ガス交換器は、一の用途例であり、同じ交換器において両方の流体回路のために本発明による同じ領域Ｚ１〜Ｚ４を有することとも完全に予想可能である。
【０１０５】
第２の回路は、好ましくはガスの循環により特化した性能のためであり、あまりにも大きなヘッドロスが導入される必要はなく、それ故に、この第２の回路のプレートに分岐領域を設けないことが好ましい。一方で、分散を完全にするために、第２の回路の各プレートにおいてジェットブレーカ型格子（ｊｅｔ−ｂｒｅａｋｅｒ  ｇｒｉｌｌｅ）を一体化することが有利である。
【０１０６】
言うまでもなく、段数、すなわち第１の回路用及び／又は第２の回路用のプレートの数は、動作条件に従って適合されるべきであり、示された実施形態における数とは異なる数を予想することは完全に実行可能である。  
【符号の説明】
【０１０７】
１  第１の金属プレート
２  第２の金属プレート
１０  チャネル
１１  プロファイル、チャネル
１２  プロファイル、チャネル
１３  チャネル
１５  リブ
１６  ノッチ
１７  開口部、貫通孔
１８  リブ部分
２０ 溝、チャネル
Ｚ１  供給領域
Ｚ２  接続領域
Ｚ３  分岐領域
Ｚ４  熱交換領域
【図１】
2019523383.tif 000004
【図２】
2019523383.tif 000005
【図３】
2019523383.tif 000006
【図４】
2019523383.tif 000007
【図５】
2019523383.tif 000008
【図６】
2019523383.tif 000009
【図７】
2019523383.tif 000010
【図８】
2019523383.tif 000011
【図９】
2019523383.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成31年3月22日(2019.3.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの流体回路を規定するプレート（１、２）のスタックを備える、長手方向軸（Ｘ）を有する熱交換器モジュールであって、少なくともいくつかのプレートはそれぞれ、それぞれ溝によって少なくとも部分的に境界付けられた流体循環チャネルを備え、第１の回路と称される、２つの回路のうちの少なくとも１つのチャネル（１０、１１、１２、１３）は、
前記スタックの外部から流体を供給する領域（Ｚ１）であって、チャネル（１０）が互いに対して平行とされ、前記長手方向軸（Ｘ）を交差する割線軸（Ｘ’）に沿って延在し、２つの隣接するチャネルは、各溝を分離するリブ（１５）に形成された少なくとも１つのノッチ（１６）を介して互いに連通する、領域（Ｚ１）と、
分岐領域と称される領域（Ｚ３）であって、各チャネル（１３）が、互いに対して平行であり、且つ前記長手方向軸（Ｘ）に対して平行である少なくとも２つの直線状のチャネル（１３．１、１３．２、１３．３、１３．４）に分割され、少なくとも２つの直線状のチャネル（１３．１、１３．２、１３．３、１３．４）がリブ（１５）によって互いに分離される、領域（Ｚ３）と、
前記供給領域と前記分岐領域との間の、接続領域と称される領域（Ｚ２）であって、この領域における各チャネルは、前記割線軸（Ｘ’）に沿って延在する直線状のプロファイル（１１）と、前記チャネルを前記分岐領域の直線状のチャネルと接続するために、前記直線状のプロファイルに続く湾曲したプロファイル（１２）と、を有する、領域（Ｚ２）と、
前記分岐領域と連続した交換の領域（Ｚ４）であって、リブによって互いに分離された平行な直線状のチャネル（１３．１、１３．２、１３．３、１３．４）が、前記長手方向軸（Ｘ）に対して平行に延在する、領域（Ｚ４）と、
を含み、前記熱交換器モジュールにおいて、前記第１の回路の各プレートのチャネル（１０）は、前記スタックを貫通する開口部（１７）を介して、各供給領域（Ｚ１）における前記第１の回路の他のプレートのチャネルと連通するが、第２の回路のチャネルと連通しないことを特徴とする、熱交換器モジュール。
【請求項２】
前記第１の回路の各チャネルの前記湾曲したプロファイルは、前記接続領域における直線状のプロファイルを前記分岐領域の直線状のチャネルに接続するために２つの湾曲部を備えることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器モジュール。
【請求項３】
各直線状のチャネル（１３）は、前記分岐領域（Ｚ３）において、４つのチャネル（１３．１、１３．２、１３．３、１３．４）に分割されることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器モジュール。
【請求項４】
前記割線軸（Ｘ’）と前記熱交換器モジュールの前記長手方向軸（Ｘ）との間の角度は、０度〜４５度である、請求項１に記載の熱交換器モジュール。
【請求項５】
前記第１の回路のプレートが少なくとも前記スタックの中央部分において前記第２の回路の２つのプレートの間に挿入される、請求項１に記載の熱交換器モジュール。
【請求項６】
前記第１の回路のチャネルは、楕円形状の断面、円形状の断面、区形状の断面、又は、正方形状の断面を有する、請求項１に記載の熱交換器モジュール。
【請求項７】
請求項１に記載された熱交換器モジュールを製造する方法であって、
供給領域、接続領域、分岐領域、及び交換領域によって構成された前記第１の回路のチャネル（１０、１１、１２、１３）を構成するために、第１の金属プレート（１）において溝を機械加工するステップと、
前記第２の回路のチャネル（２０）を構成するために、第２の金属プレート（２）において溝を機械加工するステップと、
前記第１の回路の前記第１の金属プレートのチャネルの間の連通を可能にするが、前記第２の回路の前記第２の金属プレートのチャネルと連通しない貫通孔（１７）を有するように前記第１の金属プレート及び前記第２の金属プレートを交互にスタックするステップと、
それらの間の拡散による溶接を得るために、熱間等方圧加圧法（ＨＩＣ）工程又は熱間一軸拡散溶接（ｈｏｔ  ｕｎｉａｘｉａｌ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｗｅｌｄｉｎｇ）工程によって、或いは、ロウ付けによって、互いに前記第１の金属プレート及び前記第２の金属プレートを組み立てるステップと、
を備える、方法。
【請求項８】
第２の回路内で循環する流体によって加圧されるように意図された流体密封筐体と、
請求項１に記載の複数の熱交換器モジュールと、
を備える熱交換器であって、
それぞれの熱交換器モジュールが前記流体密封筐体の中心軸に対して平行に延在し、前記流体密封筐体の内部に配置される、熱交換器。
【請求項９】
請求項８に記載の熱交換器の使用であって、一次流体として前記第１の回路の流体は、液体金属であり、二次流体として前記第２の回路の流体はガス又はガス混交物とされる、熱交換器の使用。
【請求項１０】
前記第２の回路の流体は主に、窒素を備え、前記第１の回路の流体は液体ナトリウムである、請求項９に記載の熱交換器の使用。
【請求項１１】
前記第１の回路又は前記第２の回路の流体は、原子炉から来ている、請求項９に記載の熱交換器の使用。
【請求項１２】
液体金属により冷却された高速中性原子炉、特に液体ナトリウム冷却高速炉（ＳＦＲ）と、
請求項１に記載の複数の熱交換器モジュールを備える熱交換器と、
を備える、核施設。
【国際調査報告】
2019523383.tif 000013
2019523383.tif 000014
2019523383.tif 000015
2019523383.tif 000016